Parçacık Hızı Echo

Bu deneyin amacı, laminer boru akışı olarak da bilinen Hagen-Poiseuille akışında iki boyutlu, anlık hız alanları elde etmektir. Su ve gliserinin 50/50 karışımından oluşan yeniden sirküle eden bir boru akışında, eko parçacık görüntüleme hız ölçümü (E-PIV) doğrulama ölçümleri gösterilmektedir. Burada kullanılan boru akış sistemi, akışı yürütmek için bir akvaryum pompası tarafından korunan sabit bir basınç yüksekliği kullanır.

Faz dizili bir ultrason probu, akış sisteminin boru duvarına monte edilir ve B modunda ultrason görüntüleri aktarılır. Akışkana, akış hareketlerini sadık bir şekilde takip eden içi boş cam küreler veya izleyici partiküller eklenir. Ardından ultrason görüntüleri alınır, bir bilgisayara aktarılır ve ticari partikül görüntü hızı simetri yazılımıyla uyumlu bir görüntü formatına dönüştürülür.

Ardışık ultrason B modu görüntülerine, iki boyutlu hız alanlarını hesaplamak için çapraz korelasyon algoritmaları uygulanır. Nihayetinde, topluluk ortalama kayma gerilmesi ve vortisite gibi ilgi çeken akış miktarlarını hesaplamak için vektör alanları analiz edilir. Bu teknik temel akışkanlar dinamiğine dair içgörü sağlayabilse de, biyomedikal uygulamalar dahil olmak üzere, örneğin arteriyel veya interventriküler akışlar gibi pratik akış sistemlerinde kullanılabilir ve sıklıkla kullanılır.

Sıvılaştırılmış biyokütle ve akışkan kullanarak yürüttüğümüz devam eden deneyler, bu tekniğe ilgi duymamıza neden oldu. EP IV sistemini kurmak için önce pompalara güç verin. Bu işlem, yeniden sirkülasyon yapan boru akışını sabit bir hızda başlatacaktır.

Ardından, ultrason probuna su bazlı topikal bir jel uygulayın. Jel, prob yüzeyi ile boru arasındaki ultrason ışınının iletim kaybını minimize eder. Daha sonra, duvar içi boru bağlantılarına sahip özel olarak tasarlanmış bir prob tutucu kullanarak, ultrason probunu borunun dış duvarına sabitleyin ve ultrason cihazını açın.

Tüm sistemler yüklendiğinde, ultrason ekranında canlı bir görüntü akışı görünecektir. EPIV ölçümlerini gerçekleştirmek için lineer prob için varsayılan ayar 2D moddur. Öncelikle, akış sistemine eklendiklerinde nihai konsantrasyonları yaklaşık 17 ağırlıkça milyonbaşı (ppm) olacak şekilde, nominal 10 mikrometre içi boş cam kürelerin uygun kuru ağırlığını ölçün.

Ardından, havzadan belirli bir hacimde sıvı çıkarın ve konsantre bir partikül çözeltisi oluşturmak için partikülleri sıvıya ekleyin. Akış sistemine eklenen bu partiküller, ultrason kontrast maddeleri veya izleyici partiküller olarak görev yapacaktır. Konsantre partikül çözeltisini, su havzalarına karıştırarak yeniden sirkülasyonlu boru akış sistemine ekleyin.

Cam küreler daha sonra ultrason monitöründen izlenebilir. Birkaç dakika sonra, cam küreler sistem genelinde eşit şekilde dağılacaktır; bu nedenle bu prosedürün en zor kısımlarından biri, net ve yüksek çözünürlüklü ultrason görüntüleri elde etmektir. Bu görüntülerin kalitesini maksimize etmek için, akış hızının önceden yapılan tahminlerine dayanarak kazanç, odak noktaları ve dinamik aralığı ayarlarız.

Ultrasondaki görüntülerin analizi yoluyla bu parametreleri anlık olarak daha da optimize ediyoruz. Görüntü derinliğini üç santimetreye ayarlamak için ultrasonun kontrol panelindeki derinlik kontrol düğmesini kullanın. Ardından, 2D kazanç düğmesini kullanarak, tohum partikülleri cihaz panelinde net bir şekilde görünecek şekilde görüntünün parlaklığını artırmak için toplam görüntü kazancını ayarlayın.

Boru duvarlarından gelen saçılmaları zayıflatmak ve ultrason sinyalinin derinliğe bağlı atenasyonunu kompanse etmek için zaman kazancı telafi (time gain compensation) sürgülerini ayarlayın. Bu işlem, 2D modunda boru duvarlarının üst ve alt kısımlarındaki fazla görüntüleri giderecektir. Kontrol panelinin üstündeki düğmeler soldan sağa doğru sırasıyla genişlik, odak frekansı ve kare hızına karşılık gelir.

Analiz için mümkün olan en yüksek fiziksel çözünürlüğü, frekansı ve kare hızını elde etmek amacıyla görüntüyü daha fazla ayarlamak için bu düğmeleri kullanın. Ardından, prob çalışma frekansını 10 megahertz'e ayarlayın ve kare hızını saniyede 49,5 kare olarak belirleyin. Bu dört parametrenin doğası gereği birbiriyle bağlantılı olduğunu unutmayın.

Sonuç olarak, belirli bir ultrason görüntüleme taraması için uzamsal ve zamansal çözünürlük arasında bir ödünleşim vardır. Sınırlı lateral çözünürlük nedeniyle, cam küreler lateral yönde yayılacak ve görüntüde elipsoid şeklinde görünecektir. Parametreler optimize edildikten sonra, cihazın ultrason kontrol paneli üzerinden veri toplama zamanı gelmiştir.

Yeni bir deney başlatmak için yeni muayene butonuna basın. Hasta kısmının altına, soyadı olarak pipe flow ve ad olarak tarihi girin.

Hasta kimliği alanına test numarasını girin. Önceden ayarlanmış maksimum 1000 ila 1.500 görüntüye ulaşıldığında ultrason taraması otomatik olarak başlayacaktır. Tarama devam ettikçe yeni bir tarama döngüsü başlar.

Tohum partikülü net bir şekilde odaklanana ve sorgulama alanı başına yaklaşık 10 partikül düşene kadar görüntüleme parametrelerinde ayarlamalar yapın. Tarama kayıt döngüsünü yeniden başlatmak için ultrason kontrol panelindeki dondurma (freeze) düğmesine basın. Yeterli sayıda ideal görüntü elde edildiğinde, dondurma (freeze) düğmesine basın.

Ardından, ultrason kontrol panelindeki C loop düğmesine basın. Analiz setine tüm ultrason görüntülerini dahil etmek için tüm görüntüleri seçin. Analiz edilecek görüntüler seçildikten sonra, seçilen ultrason görüntü setini kaydetmek için görüntü saklama (image store) düğmesine basın.

Görüntüler kaydedildikten sonra, ultrason kontrol panelindeki arşiv butonuna basın. İstendiğinde, yerel sabit sürücüye kaydedilecek ilgili syn loop'u küçük pencereden seçin. Ardından, fare imlecini kullanarak sınavı sonlandır seçeneğini seçin.

Arşiv butonuna basın ve fare imlecini kullanarak önce "more" (daha fazla) seçeneğini, ardından "disc management" (disk yönetimi) seçeneğini belirleyin. Bu işlem, kaydedilen cyl döngüsünü veya döngülerini, parçacık görüntü hız simetrisi veya PIV yazılımının çalıştığı bilgisayara aktaracaktır. Görüntüler yakalanıp kaydedildikten sonra, analiz için ultrason görüntüsünün dijital tıbbi görüntüleme ve iletişim veya DICOM dosyasından, joint photographic experts group veya JPEG resim dosyasına dönüştürülmesi gerekir.

DICOM dosyalarını JPEG formatına dönüştürmek için DICOM to jpeg.m isimli MATLAB betiğini kullanın. Kurum bünyesinde hazırlanan bu betik, eğitim amaçlı olarak burada gösterilen web adresinden temin edilebilir. Dosya dönüştürüldükten sonra, yazılım içerisinden Law Vision'a ait Davi yazılımını açın.

davi simgesine çift tıklayın, yeni proje seçeneğini seçin ve ardından PIV'yi seçin. Araç çubuğundan görüntüleri içe aktar seçeneğini belirleyin ve numaralandırılmış dosyalar aracılığıyla içe aktar seçeneğini seçin. Daha sonra açılır menüde, JPEG ultrason görüntülerinin saklandığı klasörü bulun ve setin ilk görüntüsüne çift tıklayın.

Bu işlem, yalnızca sıvıyı içeren bir analiz ilgi alanı belirlemek için bu numaralandırılmış setteki tüm ultrason görüntülerini içe aktaracaktır. Maskeyi oluşturmak için bir maske uygulayın; DICOM dosyasındaki bilgiler ve piksel boyutları hakkındaki bilgilerle iki x ve y koordinat noktası kullanarak dikdörtgen bir alan için koordinatları girin. Ardından, dvu ana kontrol panelinde, içe aktarılan görüntüleri içeren mevcut proje sekmesine tıklayın.

Batch processing (toplu işleme) etiketli tabloyu seçin. Bu işlem, operasyonlar listesindeki PIV artı PIV zaman serisi ağaç seçimi vektör hesaplama parametrelerini kullanarak Davi'nin vektör işleme penceresini toplu işleme için etkinleştirir; ardından, %50 örtüşme ile sorgulama boyutunu 64 piksel x 64 pikselden 12 piksel x 12 piksele düşüren multipass seçeneğini belirleyin. Göreceli vektör aralığı kısıtlamasını "all" (tümü) olarak, ardından mutlak vektör aralığı kısıtlamasını beş piksel olarak ayarlayın. Son olarak, gürültüyü bastırmak ve vektör alanlarını düzeltmek için bir medyan filtre uygulayın.

Vektör işleme için bir sonraki adımda, vektör hesaplama parametreleri menüsünde veri aralığına eşit olan maskelenmiş alanı kullan kutucuğunu işaretleyin. Vektör hesaplama parametrelerinin optimal seçiminin; akış geometrisine, akış özelliklerine, görüntü çözünürlüğüne, izleyici parçacık yoğunluğuna ve istenen kantitatif akış analizine bağlı olduğunu unutmayın. Toplu işleme ekranının sol tarafında istenen tüm parametreler ayarlandıktan sonra, işlenecek toplam görüntü sayısını seçin.

İşlem başlat düğmesine tıklayın. Bu işlem, çapraz korelasyon algoritmalarını kullanarak ardışık ultrason görüntüleri arasındaki yer değiştirme alanını hesaplayacaktır. İşlenen verileri analiz etmek için, UCV vektör alanlarını DAVO'dan txt dosyaları olarak dışa aktarın.

Bunu yapmak için proje ekranındaki JPEG görüntü dalı altında, vektör yer değiştirme dalını seçin. Araç çubuğunda dışa aktarma sekmesini seçin. Dosya türünü seçin.

Ask e txt dosyasını isteyin. Bir dışa aktarma klasörü oluşturmayı seçin ve dışa aktar seçeneğine tıklayın. Ardından, MATLAB betiğini çalıştırarak dosyayı MATLAB'da açın.

Dışa aktarılan vektör alanları, X'in 1'den 99.999'a kadar artan bir sayıyı temsil ettiği B-X-X-X-X-X.TXT şeklinde adlandırılmıştır. Her dosya, Not defteri kullanılarak görüntülenebilen dört veri sütunu içerir: birincisi görüntüdeki vektörün X konumu, ikincisi görüntüdeki vektörün Y konumu, üçüncüsü yer değiştirmenin X bileşeni veya akış yönündeki yer değiştirme ve dördüncüsü duvar normal yer değiştirmesini tanımlayan yer değiştirmenin y bileşenidir. X ve Y'nin ultrason görüntüsündeki uzaysal koordinelere karşılık geldiği hız vektör alanını U, X ve Y'nin bir fonksiyonu olarak hesaplamak için; öncelikle piksel cinsinden ölçülen X ve Y yer değiştirme alanı D, metre/piksel biriminde verilen görüntü ölçekleme parametresi M kullanılarak metre cinsinden ölçülen bir yer değiştirme alanına dönüştürülür.

Ardından, yer değiştirme alanı, görüntülerin tarama düzeltmeli zamansal ayrımı olan delta T'ye bölünür; burada delta T, saniye başına kare cinsinden verilen kare hızının tersine, artı ultrason görüntüsünün görüntü genişliği boyunca taranması için geçen süreye bölünmüş yer değiştirme alanına eşittir. Özetle, X ve Y'nin U'su, M çarpı X ve Y'nin D'sinin delta T'ye bölünmesine eşittir. DICOM, doğası gereği görüntü ölçekleme parametresi M ve tarama düzeltmeli zamansal ayrımı hesaplamak için gereken bilgileri sağlayan bir dosya yapısı depolar. Mevcut çalışmada delta T için M = 77 microns per pixel, FPS = 49.5 ve B = 25, 047 pixels per second'dir.

Son olarak, ortalama hızın normal profilleri ve ilgilenilen diğer tüm akış nicelikleriyle birlikte topluluk ortalaması hız vektör alanlarını hesaplayın. EPIV'in kullanışlılığını göstermek ve ölçüm belirsizliğini değerlendirmek amacıyla, bu videoda açıklandığı şekilde hızın iki boyutlu anlık alanları ve laminar boru akışı elde edilmiştir; bu anlık vektör grafiği her dördüncü sütundaki hız vektörlerini göstermekte ve arka plandaki renkli kontur haritası hız büyüklüğüne karşılık gelmektedir. Hız vektörünün iki boyutlu mekansal konumu, D'den ölçülen radyal konumun D olduğu D/D ve X/D ile belirtilmiştir.

D boru çapını ve X, boru girişinden itibaren ölçülen akış yönündeki konumu temsil eder. Sütunlar boyunca hız vektörlerinin belirgin parabolik şekli, ölçümlerin boru akışı için beklenen hız profiliyle tutarlı olduğunu gösterir. 1000 anlık vektör plotunun ortalaması alınarak hesaplanan topluluk ortalamalı vektör plotu, ortalama hız alanının bir temsilini sunar.

Bu işlem aynı zamanda anlık vektör alanlarındaki rastgele gürültü hatalarını da ortalayacaktır. Hız vektörleri temel olarak akış yönündedir. En yüksek hızlar borunun merkez hattında gerçekleşir.

Hızlar boru duvarlarında sıfıra inmiş ve akış kabaca simetriktir; yatay yöndeki satırlar boyunca topluluk ortalamalı vektör grafiğinin ortalaması alınarak elde edilen, boru yarıçapı boyunca ortalama akış yönündeki hız profili burada gösterilmiştir. Ayrıca, deneysel koşullar göz önüne alındığında, laminar boru akışı için beklenen ortalama hız profili de gösterilmiştir.

EPIV ölçümleri ile beklenen higgin pozo profili arasındaki uyum, boru merkez hattına yakın bölgelerde en iyi, boru duvarlarına yakın bölgelerde ise en düşük seviyededir. Duvar yakınındaki büyük farklar, muhtemelen boru duvarının kavisli yüzeyinde ultrason dalgalarının güçlü yansıma ve kırılmalarına bağlıdır; bu durum söz konusu bölgelerde yüksek görüntü yoğunluklarına neden olur ve duvarlardaki yüksek yoğunluklar parçacık yoğunluklarını maskeleyerek ölçüm hatasına yol açar. Bu tekniğin geliştirilmesiyle birlikte, mühendislik veya biyolojik akış sistemlerinde akışkanlar dinamiği çalışan araştırmacılar, artık optik olarak opak akışkanlarda veya optik olarak opak geometriler üzerinden hız alanının uzaysal-zamansal varyasyonlarını elde edebilmektedir.

Bu videoyu izledikten sonra, EPIV'nin nasıl çalıştığı, sınırlamaları ve ticari bir ultrason cihazı kullanarak bir EPIV sisteminin nasıl kurulacağı ve işletileceği hakkında iyi bir anlayışa sahip olmalısınız.